10.2.6 Тепловой расчет регенеративных теплообменников

Рассмотрим регенеративный теплообменник с неподвижной насадкой из керамических и огнеупорных материалов. Введем следующие обозначения: - период нагрева насадки горячим газом; - период охлаждения насадки нагреваемым воздухом; - температуры горячего и холодного теплоносителей в конце регенератора в начале и конце циклов нагрева и охлаждения; - температуры поверхности насадки в начале цикла нагрева и конце цикла охлаждения; - температура поверхности насадки в конце цикла нагрева.

Наиболее точные расчеты регенеративных теплообменников можно провести с помощью уравнений конвективного и радиационного теплообмена (для потока газов) и уравнения теплопроводности в насадке. Такие расчеты сложны.

В приближенных инженерных расчетах используют уравнения теплового баланса, которое записывется следующим образом:

где - тепловая нагрузка, т.е. количество теплоты, передаваемая газами воздуху за цикл; - средние во времени значения температур газа и нагреваемого воздуха на выходе из регенератора:

;

Ля расчета площади поверхности насадки используется уравнения теплопередачи:

,

где средний температурный напор за цикл (время цикла ) имеет вид:

Средний коэффициент теплопередачи расчитывается по формуле

где - коэффициенты теплоотдачи соответственно для газа и воздуха; - термическое сопротивление насадки.

При расчете следует учитывать радиационный перенос теплоты и газов к насадке.

10.3 Методики расчет теплообменных аппаратов

В зависимости от цели расчет может быть конструкторским, когда по заданным температурам и расходам определяется тип и величина теплообменной поверхности, и поверочным, когда по известным типу и величине теплообменной поверхности определяются температуры теплоносителей на выходе из теплообменника. Применяются две методики расчета ТА:

- с использованием средней логарифмической разности температур;

- с использованием коэффициента эффективности теплообмена Е.

Методика расчета с использованием t является более традиционной, недостатком ее является необходимость повторных расчетов (итераций), когда не заданы конечные температуры. Этого недостатка лишена методика с использованием коэффициента эффективности тепло- или тепломассообмена.

,

где t₁, t₁ - температуры теплоносителя 1 на входе и выходе из ТА,

t₂ - температура второго теплоносителя на входе в ТА.

Как следует из формулы, по известным начальным температурам и величине Е может быть определена искомая конечная температура t без итераций. Полученные зависимости для расчета величины коэффициента эффективности при различных схемах движения теплоносителей.

Для прямотока , , ,

для противотока: ,

Для любых схем (формула Трефни) ,

где f_φ – коэффициент, учитывающий схему тока и определяемый по справочным данным.

10.3.1. Математическая модель рекуперативного теплообменного аппарата и алгоритм его поверочного расчета по методу n-e.

Математическая модель ТА представляет собой совокупность математических зависимостей, описывающих рассматриваемый процесс.

Содержание математической модели подчинено решению конкретной задачи –в данном случае теплообмену и определению тепловой нагрузки, определению гидравлического сопротивления в расчетном режиме, оптимизации режима работы и т.д. Алгоритм расчета ТА представляет собой целесообразную последовательность расчета ТА по заданным исходным данным.

Рассмотрим последовательность теплового расчета ТА.

Исходными данными для поверочного расчета рекуперативного теплообменника жидкость-жидкость, обычно являются:

• расходы теплоносителей G1 и G2;

• поверхность теплообмена F;

• конструкция ТА или живое сечение для прохода каждого теплоносителя Fж1, Fж2;

• начальные температуры теплоносителей;

• теплофизические свойства теплоносителей (λ,ν,с,ρ,Pr)

Определяемыми величинами являются (при поверочном расчете) конечные температуры теплоносителей и тепловая нагрузка.

Последовательность расчета:

1. Определяются скорости движения теплоносителей ; ;

2. Находятся эквивалентные диаметры каналов d_э1=d;

3. Рассчитываются числа Рейнольдса по каждому теплоносителю

;

Cредние температуры для определения теплофизических свойств теплоносителей принимаются ориентировочно и уточняются после расчета конечных температур.

4. Рассчитываются числа Нуссельта (для теплоносителя в трубах – 1, в межтрубном пространстве- 2) ;

5. Определяются коэффициенты теплоотдачи: ; .

6. Термические сопротивления отложений загрязнений со стороны каждого из теплоносителей принимаются по справочным данным;

7.Определяется коэффициент теплопередачи

.

8. Число единиц теплопереноса ;

9. Соотношение теплоемкостей потоков теплоносителей ;

10.Рассчитывается коэффициент эффективности теплообмена,(формула принимается в зависимости от схемы движения теплоносителей).

Для противоточной схемы, для первого теплоносителя

11. Температура на выходе первого теплоносителя - полагая, что теплоноситель охлаждается.

12. Тепловая нагрузка ТА

13. Температура второго теплоносителя на выходе из ТА:

Поверочный расчет пластинчатого теплообменника “жидкость-жидкость”

Дополнительно заданы:

-приведенная длинна канала в Lпр,

• площадь сечения одного канала, f1,

• площадь теплообменной пластины F1,

• число ходов теплоносителя Х1,Х2,

• число каналов в одном ходе nk1,nk2.

Последовательность расчета следующая:

1. площадь поперечного сечения хода ; ;

2. Скорость течения теплоносителя в каналах ; ;

3. Числа Re ; ;

4. Числа Nu ; ;

5. Коэффициенты теплоотдачи ; ;

6. Коэффициент теплопередачи ;

7. Соотношение теплоемкостей потоков ;

W1=G1G – принимается меньшая из теплоемкостей потоков.

8. Число единиц теплопереноса ;

9. Коэффициент эффективности (для противоточной схемы движения)

;

10. Определяется температура на выходе ;

11. Тепловая нагрузка аппарата. ;

12. Коэффициент гидравлического сопротивления аппарата. ; ;

13. Потери давления в аппарате по каждому теплоносителю

;